金屬基表面織構自潤滑材料的研究現狀與展望

熊亞輝 ，林海波， 陳 陽，楊 慷

（1.四川輕化工大學 機械工程學院，四川 自貢 643000；2.安陽工學院 機械工程學院，河南 安陽 455000）

1 研究目的和意義

鎢鋼（TS）作為我國工業設備重要的原材料，其產能占據全球總產量的40%以上。然而由于科研基礎薄弱的限制，高附加值的鎢鋼種類如高性能鎢鋼、超硬鎢鋼、精密鎢鋼數控刀具的產能相對較底[1-2]。隨著中國制造業的迅速崛起，對于機械運動部件的加工精準度的要求也在不斷提高，因此對于生產更多高性能精密鎢鋼零件的需求也迫在眉睫。

由于能源和資源問題，有效的節能措施是當前科學研究的重點[3-4]。研究表明，磨損造成的熱量損耗是導致能源浪費的主要原因之一。例如，乘用車消耗的能源中約有三分之一用于克服磨損[5-6]。采用有效的減少摩擦和磨損的方法引起了廣泛的關注，特別是在中國制造業逐漸向綠色和可持續循環發展模式轉變的背景下，這一問題顯得尤為關鍵[7-8]。目前我國鎢鋼行業正在向循環經濟、節能環保方向發展。尋求高效的減摩抗磨措施成為了鎢鋼零部件材料（圖1）提高使用壽命、降低能源浪費的可行方案。

圖1 典型鎢鋼零部件[8]

從工程角度看，減少摩擦和磨損最簡單的方法是在接觸表面之間添加潤滑劑（油或油脂），具有優異潤滑性能的液體潤滑劑可減少摩擦副的直接接觸，從而降低摩擦阻力，實現低的磨損。由多種固體添加劑形成的復合潤滑劑在汽車生產、軸承加工以及航空航天等領域應用廣泛。除此之外，調整基體材料的組成成分[9-10]，或采用先進的表面技術加工零件表面[11]，對于提升摩擦學性能也有很大的影響。Hamilton 等[12]通過摩擦磨損試驗對不規則的表面織構結構改善基體材料的摩擦學性能進行了證明。其抗磨能力增強的原因歸結于表面織構結構起到流體動壓潤滑的作用。目前，已經研究了多種具有不同形態的表面微結構，其與潤滑劑的協同作用有效優化了機械零部件的減摩和抗磨效果[13-14]。表面微結構可為固體潤滑劑提供儲存場所，并且有利于摩擦過程中固體潤滑劑遷移到摩擦表面，減少摩擦表面的直接接觸，降低運動部件的磨損；同時，固體潤滑劑也可為表面微結構提供保護作用，有利于提高表面微結構的承載能力，減少摩擦磨損對微結構造成的結構損傷，兩者的協同作用為延長運動部件服役壽命提供了一種可行的方式[15]。

TS 主要由碳化鎢顆粒和金屬鈷黏合劑組成，具有硬度高、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優良性能。這些材料廣泛應用于機械加工、礦業開采和機械密封等領域[16]。然而，在實際應用過程中，高摩擦熱和摩擦應力會誘導鈷的擴散，并發生碳化鎢晶粒的移位和分離，最終導致TS零部件的快速磨損，制約了TS 零部件的服役壽命和應用精度。因此，改善TS 材料的摩擦學性能對于延長TS 零部件的使用壽命具有重要的技術意義。

2 固體潤滑劑的研究現狀

根據固體潤滑劑的物理化學性質可以將其分為：軟金屬類、金屬化合物類以及無機化合物類。結構特征和化學特性的差異使不同種類的潤滑劑表現出不同的潤滑特點。軟金屬類固體潤滑劑主要包括Sn、Ag 和Au 等[17]，因其低剪切強度和晶體各向異性，金屬化合物固體潤滑劑在潤滑行為方面表現出類似于高黏度流體的特性。它們在高速、高負載甚至真空等工作條件下容易鋪展到摩擦表面形成潤滑膜，從而有效降低摩擦和減少磨損。這些金屬化合物固體潤滑劑包括金屬氧化物（如CuO、ZnO、TiO2）、金屬氟化物（如CaF2、CeF3、BaF2）和金屬硫化物（如MoS2和WS2）等[18]。金屬氧化物容易在高溫環境下發生變形與剪切，給基體提供良好的潤滑條件。金屬氟化物具有良好的化學穩定性，在高速重載等極端環境下發生脆性向塑性轉變而擁有良好潤滑特性。金屬硫化物則表現出與無機化合物（石墨、氮化硼和碳化硅）類似的層狀結構[19]。隨著制造技術的飛速發展，許多機械設備面臨的生產環境日益嚴峻，單一的潤滑相并不能很好地滿足復雜工況條件下的潤滑要求。例如雖然軟金屬Ag 可以適應較寬溫度范圍內的摩擦磨損，但在高載高速條件下，其在摩擦表面形成的潤滑膜容易剝落。因而，復合固體潤滑劑的研究與開發已逐漸成為摩擦學領域研究的熱點。Tan 等[20]探索了軟金屬Cu 和石墨對X80Q 鋼摩擦學性能的影響。復合固體潤滑劑中的石墨在分離接觸表面以降低黏附力方面起著關鍵作用，導致摩擦系數的降低；同時，固體潤滑劑中的銅可以填充磨痕表面的微缺陷和劃痕，從而減少磨損。相比于未添加潤滑劑的X80Q 鋼，Cu 和石墨的引入使X80Q 鋼的摩擦系數降低了400%以上，磨損量也大幅下降。Nautiyal 等[21]提出以還原氧化石墨烯和MoS2的組合作為銅復合材料中的潤滑相。與純銅相比，摩擦系數降低了89%。出色的摩擦學性能主要歸因于復合固體潤滑劑中還原氧化石墨烯和MoS2之間的協同作用，以及在接觸界面上形成的均勻而穩定的潤滑膜。

最近Yang 等[22]通過對SnAgCu-Al2O3-Graphene（SAG）復合潤滑劑提升鈦合金的摩擦學性能的研究，進一步探索了復合固體潤滑劑之間的協同作用。其中固體潤滑劑粉末的FESEM形貌的典型模式如圖2a、圖2b 和圖2c 所示，其XRD 衍射峰如圖2d 所示。由于潤滑膜中富集了大量的SnAgCu，其硬度較低，使得薄膜在高載荷下易被破壞，導致不良的摩擦學行為。因此，使用石墨烯和Al2O3粉末提高SnAgCu 膜的硬度以抵消這種損傷，并且令薄膜具有優異的耐磨性。在摩擦學測試的基礎上，優化了SAG 混合物的組分設計;通過SAG 混合物的FESEM 形貌圖（圖2e）和背散射圖（圖2f）可以觀察到經組分設計后的石墨烯和Al2O3粉末均勻分布在潤滑膜中，為摩擦界面提供了良好的潤滑環境。Ti-SAG在16 N 載荷和450 ℃的溫度條件下表現出了優異的耐摩擦磨損性能，其磨損率降低了約26%。SnAgCu 的變形、石墨烯納米片的層內分離和球形Al2O3顆粒的滾動與滑動混合模式是導致優異摩擦學性能的因素。

圖2 （a） SnAgCu 典型FESEM 粉末形貌；（b） Al2O3 典型FESEM 形貌；（c） graphene 典型FESEM 形貌；（d） SAG 的XRD 衍射圖；（e）SAG 的FESEM 形貌圖；（f）SAG 的FESEM 背散射圖[22]

在此基礎上，張宸華等[23]為了探究鎢鋼材料的摩擦學性能，制備了魚鱗狀仿生表面織構（STS），并將復合固體潤滑劑Sn-Al2O3填充在織構的凹槽中。使用球盤式摩擦磨損試驗儀并結合有限元模擬方法分析實驗結果。試驗結果以及模擬分析發現Sn-Al2O3/STS-90°鎢鋼織構試樣在20 N 的受力下平均摩擦系數和磨損率分別為0.13和1.21×10-13m3/(N·m)，與純鎢鋼材料相比分別降低約73.5%和85.5%。當織構角度為90°時，織構發生了明顯的變形。存儲在織構中的潤滑劑大量析出并形成了完整的固體潤滑膜。上述研究充分證明復合固體潤滑劑在減少基體磨損方面確實具有出色的效果。

3 金屬基表面織構自潤滑材料的研究現狀

固體自潤滑材料根據基體不同可分為金屬基、陶瓷基和聚合物基3 類。固體潤滑劑在不同基質中呈現出差異性的潤滑機制。金屬基自潤滑材料因具有較高的強度與硬度以及良好的韌性，能適應高溫、真空、重載等惡劣工作環境，因此在工業應用中優勢明顯。

金屬基自潤滑材料的表面結構研究是摩擦學實驗中的關鍵問題，與固體潤滑劑的協同作用更是引起了研究人員的極大興趣[24-26]。不規則的表面織構早在1966 年就被應用于改善密封件的摩擦磨損性能[12]。最近，Maldonado-Cortés 等[27]探討了方向性表面織構通道和TiO2顆粒對工具鋼摩擦學性能的影響。圖3 為不同方向的表面織構通道。如圖3 所示，與具有垂直織構通道的樣品相比，在水平織構通道的樣品上觀察到更加出色的摩擦學行為，其磨損降低了89.8%。固體潤滑劑TiO2的加入進一步優化了工具鋼的抗磨能力，TiO2的滾動效應和表面織構的磨屑截留機制被認為是減少摩擦和磨損的主要原因。

圖3 工具鋼表面不同方向的表面織構通道[27]

為了在金屬表面制造不同形狀的結構，Wang等[28]提出了一種選擇性激光熔化固體潤滑劑（納米銅顆粒）的工藝，在金屬表面利用油墨印刷的方式，制備圓盤形和環形的表面織構。摩擦測試表明，與環形織構的樣品和未處理的基材相比，圓盤形織構具有相對較低的摩擦系數。在對M50鋼的摩擦學性能研究中，劉錫堯[29]將軟金屬潤滑劑SnAgCu 熔融沉積在M50 鋼表面制備的表面微孔內，用來提高基體材料強度。他采用理論與實驗相互結合的方式，探究表面微孔結構的相關參數對基體表面摩擦學性能的影響。研究表明，當孔隙率為20%，表面微孔結構的深度和直徑分別為400μm 和100μm 時，基體材料能夠獲得最佳的摩擦學性能。由于在磨損表面形成了富含軟金屬潤滑劑的潤滑膜，金屬基復合材料的自潤滑能力得到了改善。類似地，張飛志等[30]采用軟金屬潤滑劑Sn 與Ni 構建了Sn-Ni 固體復合潤滑劑，然后通過高溫熔滲法將潤滑劑熔滲到鎢鋼表面結構中。圖4 展示了該鎢鋼在6 N-5 Hz 工況下，磨痕表面的典型FESEM 圖像以及磨損表面的EDS譜圖。從圖4a 中的區域1 和區域2 的EDS 譜圖能夠觀察到，潤滑膜主要構成的元素是Sn 和Ni。區域1 和區域2 的EDS 譜圖如圖4b 和圖4c所示。值得注意的是，區域1 中還含有Fe 等鎢鋼基體材料元素，這表明磨屑的主要是由于Sn-Ni/W表面材料在應力作用下剝離而產生。圖4d 和圖4e展示了區域3 和區域4 的EDS 譜圖。比較區域1和2 與區域3 和4，可以發現區域3 和4 中固體潤滑劑的質量分數相對較低。在6 N-5 Hz 磨痕表面形成較完整的潤滑膜，并且磨痕表面產生的磨屑也與Sn-Ni 潤滑劑相結合，在形成潤滑膜的同時有效地實現了優異的協同潤滑功能。

圖4 鎢鋼在6 N-5 Hz 工況下磨痕表面(a) 典型 FESEM 形貌與 (b-e) 區域 1、2、3、4 的 EDS 譜圖[30]

綜上所述，在金屬自潤滑材料表面設計織構能使其擁有更為優異的摩擦學性能。申芳華[31]采用常壓熔滲方法將純鉛熔滲入多孔純銅中，制備了銅-鉛自潤滑復合材料。摩擦磨損測試表明，當外部施加的速度與載荷增大時，摩擦系數反而減小；當施加的載荷超過1 MPa 時，銅-鉛表現出較低的摩擦系數，其值小于0.08。因此，工況條件（如載荷、頻率和速度等）也對金屬基自潤滑材料的摩擦系數和磨損行為有極大的影響。

4 TS 基表面織構自潤滑材料的研究現狀

TS 也被稱為硬質合金，以硬度高、強度大和耐腐蝕等特性被廣泛用于機械加工、礦業開采和機械密封等領域[32-33]。然而，在實際應用過程中，材料的快速磨損是制約TS 零部件服役壽命和應用精度的關鍵因素。有效的耐磨強化措施對減少TS 零部件磨損，減少能源浪費具有極大的實際意義。表面織構可減少接觸表面的粘結，能夠有效降低材料的摩擦磨損[34-35]。劉煜[36]在YG8 硬質合金刀具表面設計加工了蜂窩型織構，在干摩擦條件下進行摩擦試驗，結果表明干摩擦條件下微織構通過收集磨屑來減小磨損。林國志等[37]研究了表面微溝槽對WC-8Co 摩擦磨損特性的影響，結果表明，由于微溝槽有效截留了磨屑，阻止了接觸表面的粘結，尤其在高接觸載荷下，這種效應更為明顯。因此，為降低WC-8Co 的摩擦和磨損提供了一種有效的方式。Li 等[38]采用飛秒激光加工在硬質合金表面制備了不同紋理密度的V 形凹槽，如圖5 所示。研究表明在潤滑條件下，織構密度為9.5%的試樣獲得的表面摩擦系數最小且穩定，約為0.02。V 形織構試樣表面的磨損機制主要是磨料磨損和粘著磨損。凹槽截留的磨屑提供的防粘附保護大于其自身造成的損壞，且織構儲存的潤滑劑同樣為降低摩擦系數作出了貢獻。

圖5 硬質合金YT15 表面不同紋理密度的V 形凹槽[38]

上述研究表明，TS 表面織構可以減少摩擦副的接觸表面積，降低附著力，并且為儲存磨屑顆粒和潤滑劑提供可行的策略。受此現象的啟發，固體潤滑劑與表面織構的組合對TS 材料摩擦學性能的影響引起了研究人員極大的興趣。Wu 等人[39]探索了表面織構與固體潤滑劑相結合對WC/Co 材料的摩擦磨損性能的影響，結果表明，與光滑表面相比，填充固體潤滑劑的織構表面的平均摩擦系數降低了20%-25%；此外，填充固體潤滑劑的織構表面的摩擦系數波動明顯較小，這主要與摩擦表面形成的潤滑膜有關。Meng 等[40]使用Nd:YAG 激光在硬質合金表面制備微尺度紋理，研究了微尺度織構和W-S-C 固體潤滑涂層對硬質合金摩擦學性能的協同作用。摩擦試驗表明，沉積的W-S-C固體潤滑涂層與表面紋理相結合，在改善摩擦學性能方面比僅有表面紋理存在的情況更有效。紋理的主要作用是在干滑動條件下捕獲磨屑，凹槽中保留的潤滑劑則能夠為摩擦表面提供有效的潤滑。在此基礎上，Fu 等[41]在干燥條件下探索了不同表面織構（方形、平行和垂直織構）和WS2固體潤滑涂層的組合對硬質合金刀具摩擦學性能的影響。在所有組合中，方形織構和WS2的組合獲得了最低的摩擦系數和磨損率，與純WS2涂覆的刀具相比，其摩擦系數和磨損率分別降低了13.88%和50%。

與方形織構類似，張洪磊等[42]在鎢鋼表面設計了槽寬0.6 mm 的魚鱗狀表面結構（STS），利用有限元模擬深入研究載荷- 滑動頻率對Sn-Al2O3/STS 摩擦學性能的影響。結果表明，鎢鋼試樣在20 N-4 Hz 工況下具有最佳的摩擦學性能，其平均摩擦系數和磨損率分別為0.13 和1.21×10-13m3/(N·m)。如圖6 所示，通過Solidworks三維建模軟件建立了10 mm×10 mm×2 mm 的模型示意圖，并在模型上方添加了一個10 N 的固定載荷約束。ANSYS 模擬仿真軟件的模擬結果表明，表面織構的最佳寬度為0.6 mm，仿真數據顯示織構的受力較為均勻，沒有表現出明顯的應力集中和變形。

圖6 鎢鋼試樣不同槽寬 (0.4 mm、0.6 mm)的有限元模型[42]

圖7 展示了鎢鋼試樣在不同工況下的表面磨痕形貌。在30 N-2 Hz 工況下（圖7a），鎢鋼試樣摩擦表面沒有大的剝落現象。當工況為25 N-3 Hz 時（圖7b），鎢鋼試樣磨損表面上僅出現了少量潤滑劑。然而，可以觀察到在20 N-4 Hz 時（圖7c），鎢鋼摩擦接觸面上存在1 層固體潤滑膜，其形成原因是較低的載荷導致鎢鋼表面織構發生變形，令潤滑劑從織構凹槽中析出并鋪展成膜。在15 N-5 Hz 工況下（圖7d），磨痕表面出現了大量的剝離現象，并形成1 個帶狀的剝落區。在10 N-6 Hz 工況下（如圖7e），磨痕表面能夠觀察到一些磨屑以及輕微的剝落。在20 N-4 Hz 工況下，鎢鋼表面織構邊緣的變形使潤滑劑大量析出，并且較高的滑動頻率將導致鋪展在摩擦表面的Sn-Al2O3潤滑劑產生塑性變形，促使潤滑劑形成了固體潤滑膜。由于基體潤滑環境的改善，20 N-4 Hz 工況下的鎢鋼試樣表現出最低的摩擦系數和磨損率。

綜上所述，表面織構為固體潤滑劑提供了儲存場所，固體潤滑劑由于其自身物理化學特性易遷移到摩擦表面形成潤滑膜，兩者的組合為改善TS 材料的摩擦學性能提供了一種有效的策略。在摩擦過程中，織構化的摩擦表面發生了復雜的物理化學反應，促使磨痕表面形貌演變以及亞表面微觀結構變化，這個過程不僅促使潤滑膜得以形成，而且對TS 材料的摩擦磨損性能產生了極大的影響。

5 展望

固體潤滑劑和表面織構的組合為改善金屬基自潤滑材料的摩擦學性能提供了一種有效的方式。大量的實驗已經表明固體潤滑劑與表面織構相結合的方法對摩擦性能的改善效果優于單一織構或潤滑劑。但目前，有關固體潤滑劑與表面織構的減摩耐磨行為的認識大多停留在表面織構捕獲磨屑、存儲潤滑劑以及固體潤滑劑遷移等概念上，對于表面織構對固體潤滑劑遷移行為的影響、固體潤滑膜的形成機制等關鍵因素缺乏深入系統性的研究。因此，開展TS 自潤滑材料摩擦界面結構設計及其自潤滑機理研究具有重要意義。

（1）目前所采用的復合潤滑結構制造技術在制造工藝和固體潤滑劑選擇等方面都存在不足，尤其是在對汽缸套這樣的高精密零件，需尋求適用于高精密零部件表面的復合潤滑結構制備方法。

（2）表面凹坑微織構復合固體潤滑劑的填充工藝仍有不足，且摩擦實驗大部分是在干摩擦條件下進行，缺少在混合潤滑或邊界潤滑條件下對復合工藝的研究。

（3）目前研究的基本是單一形態的表面微織構，而對于多形態復合微結構的研究鮮有提及。因此，以后應關注異型形貌和復合型形貌對基體摩擦學特性的影響，并揭示其復合形貌與固體潤滑膜的潤滑原理。

（4）在TS 自潤滑材料摩擦磨損行為相關研究中發現，表面織構的變形量和服役工況有密切的關系。載荷和滑動速度越大，表面織構的變形量也越大；但過大的載荷和滑動速度可能導致表面織構結構的破壞。因此，對于不同工況（載荷和滑動速度）條件下金屬基自潤滑材料表面織構將如何變形的研究有待進一步加強。

（5）固體潤滑膜的形成和失效是一個復雜的動態過程，涉及復雜的物理和化學變化，包括材料的應力應變、氧化還原、塑性變形和疲勞破壞等。因此，建立以典型力學理論和固體潤滑理論為基礎的數學模型，分析固體潤滑膜形成以及失效的產生條件，是現階段應關注的重點內容。